Kemijski izvori struje (skraćeno HIT) su uređaji u kojima se energija redoks reakcije pretvara u električnu energiju. Njihova druga imena su elektrokemijska ćelija, galvanska ćelija, elektrokemijska ćelija. Princip njihova rada je sljedeći: kao rezultat interakcije dvaju reagensa dolazi do kemijske reakcije s oslobađanjem energije iz istosmjerne električne struje. U drugim izvorima struje proces proizvodnje električne energije odvija se prema višestupanjskoj shemi. Najprije se oslobađa toplinska energija, zatim se pretvara u mehaničku, a tek onda u električnu energiju. Prednost HIT-a je jednostupanjski proces, odnosno električna energija se dobiva odmah, zaobilazeći faze dobivanja toplinske i mehaničke energije.
Povijest
Kako su se pojavili prvi trenutni izvori? Kemijski izvori nazivaju se galvanske ćelije u čast talijanskog znanstvenika iz osamnaestog stoljeća - Luigija Galvanija. Bio je liječnik, anatom, fiziolog i fizičar. Jedan od njegovih smjerovaistraživanje je bilo proučavanje reakcija životinja na razne vanjske utjecaje. Kemijski način generiranja električne energije Galvani je otkrio slučajno, tijekom jednog od pokusa na žabama. Spojio je dvije metalne ploče na otkriveni živac na žabljem kraku. To je rezultiralo kontrakcijom mišića. Galvanijevo vlastito objašnjenje ovog fenomena bilo je netočno. Ali rezultati njegovih eksperimenata i opažanja pomogli su njegovom sunarodnjaku Alessandru Volti u kasnijim studijama.
Volta je u svojim spisima iznio teoriju o pojavi električne struje kao rezultat kemijske reakcije između dva metala u dodiru s mišićnim tkivom žabe. Prvi kemijski izvor struje izgledao je poput posude s fiziološkom otopinom, s pločama cinka i bakra uronjene u njega.
HIT se počeo proizvoditi u industrijskim razmjerima u drugoj polovici devetnaestog stoljeća, zahvaljujući Francuzu Leclancheu, koji je izumio primarnu mangan-cink ćeliju sa solnim elektrolitom, nazvanu po njemu. Nekoliko godina kasnije, ovu elektrokemijsku ćeliju poboljšao je drugi znanstvenik i bila je jedini primarni kemijski izvor struje do 1940.
Dizajn i princip rada HIT
Uređaj kemijskih izvora struje uključuje dvije elektrode (vodiči prve vrste) i elektrolit koji se nalazi između njih (vodič druge vrste, odnosno ionski vodič). Na granici između njih nastaje elektronički potencijal. Elektroda na kojoj se reducira oksidiranaziva se anoda, a ona na kojoj se reducira oksidant naziva se katoda. Zajedno s elektrolitom, oni čine elektrokemijski sustav.
Nusproizvod redoks reakcije između elektroda je stvaranje električne struje. Tijekom takve reakcije, redukcijsko sredstvo se oksidira i donira elektrone oksidacijskom sredstvu, koje ih prihvaća i time se reducira. Prisutnost elektrolita između katode i anode nužan je uvjet za reakciju. Ako jednostavno pomiješate prah iz dva različita metala zajedno, neće se osloboditi električna energija, sva će se energija osloboditi u obliku topline. Potreban je elektrolit za pojednostavljenje procesa prijenosa elektrona. Najčešće je to otopina soli ili taline.
Elektrode izgledaju kao metalne ploče ili rešetke. Kada su uronjeni u elektrolit, između njih nastaje razlika električnog potencijala – napon otvorenog kruga. Anoda nastoji donirati elektrone, dok ih katoda teži prihvatiti. Kemijske reakcije počinju na njihovoj površini. Prestaju kada se krug otvori, a također i kada se potroši jedan od reagensa. Otvaranje strujnog kruga događa se kada se ukloni jedna od elektroda ili elektrolita.
Sastav elektrokemijskih sustava
Kemijski izvori struje kao oksidirajuća sredstva koriste kiseline i soli koje sadrže kisik, kisik, halogenide, okside viših metala, dušične spojeve itd. Metali i njihovi niži oksidi, vodik su u njima redukcijski agensii ugljikovodičnih spojeva. Kako se koriste elektroliti:
- Vodene otopine kiselina, lužina, fiziološke otopine, itd.
- Nevodene otopine ionske vodljivosti, dobivene otapanjem soli u organskim ili anorganskim otapalima.
- Ratopljene soli.
- Čvrsti spojevi s ionskom rešetkom u kojoj je jedan od iona pokretljiv.
- Matrični elektroliti. To su tekuće otopine ili taline smještene u porama čvrstog nevodljivog tijela - nositelja elektrona.
- Elektroliti za ionsku izmjenu. To su čvrsti spojevi s fiksnim ionogenim skupinama istog predznaka. Ioni drugog znaka su pokretni. Ovo svojstvo čini vodljivost takvog elektrolita unipolarnom.
Galvanske baterije
Kemijski izvori struje sastoje se od galvanskih ćelija - ćelija. Napon u jednoj od ovih ćelija je mali - od 0,5 do 4V. Ovisno o potrebi, u HIT-u se koristi galvanska baterija koja se sastoji od nekoliko serijski povezanih ćelija. Ponekad se koristi paralelna ili serijsko-paralelna veza više elemenata. Samo identične primarne ćelije ili baterije uvijek su uključene u serijski krug. Moraju imati iste parametre: elektrokemijski sustav, dizajn, tehnološku opciju i standardnu veličinu. Za paralelno povezivanje, prihvatljivo je koristiti elemente različitih veličina.
HIT klasifikacija
Kemijski izvori struje razlikuju se u:
- veličina;
- dizajni;
- reagensi;
- priroda reakcije stvaranja energije.
Ovi parametri određuju svojstva izvedbe HIT-a prikladna za određenu primjenu.
Klasifikacija elektrokemijskih elemenata temelji se na razlici u principu rada uređaja. Ovisno o ovim karakteristikama razlikuju se:
- Primarni kemijski izvori struje su elementi za jednokratnu upotrebu. Imaju određenu zalihu reagensa, koji se troše tijekom reakcije. Nakon potpunog pražnjenja, takva ćelija gubi svoju funkcionalnost. Na drugi način, primarni HIT-ovi se nazivaju galvanske ćelije. Bit će ispravno nazvati ih jednostavno - element. Najjednostavniji primjeri primarnog izvora energije su "baterije" A-A.
- Punjivi kemijski izvori struje - baterije (oni se također nazivaju sekundarnim, reverzibilnim HIT) su ćelije za višekratnu upotrebu. Propuštanjem struje iz vanjskog kruga u suprotnom smjeru kroz bateriju, nakon potpunog pražnjenja, istrošeni reagensi se regeneriraju, ponovno akumulirajući kemijsku energiju (punjenje). Zahvaljujući mogućnosti punjenja iz vanjskog izvora konstantne struje, ovaj uređaj se koristi dugo vremena, s prekidima za punjenje. Proces generiranja električne energije naziva se pražnjenje baterije. Takvi HIT-ovi uključuju baterije za mnoge elektroničke uređaje (prijenosna računala, mobitele, itd.).
- Izvori toplinske kemijske struje - kontinuirani uređaji. NAu procesu njihovog rada dolazi do kontinuiranog protoka novih porcija reagensa i uklanjanja produkta reakcije.
- Kombinirane (polugorivne) galvanske ćelije imaju zalihu jednog od reagensa. Drugi se u uređaj dovodi izvana. Vijek trajanja uređaja ovisi o opskrbi prvog reagensa. Kombinirani kemijski izvori električne struje koriste se kao baterije, ako je moguće obnoviti njihov naboj propuštanjem struje iz vanjskog izvora.
- HIT obnovljivi punjivi mehanički ili kemijski. Za njih je moguće zamijeniti istrošene reagense novim porcijama nakon potpunog pražnjenja. Odnosno, oni nisu kontinuirani uređaji, već se, kao i baterije, povremeno pune.
HIT značajke
Glavne karakteristike kemijskih izvora energije uključuju:
- Napon otvorenog kruga (ORC ili napon pražnjenja). Ovaj pokazatelj, prije svega, ovisi o odabranom elektrokemijskom sustavu (kombinacija reduktora, oksidansa i elektrolita). Također, na NRC utječe koncentracija elektrolita, stupanj pražnjenja, temperatura i drugo. NRC ovisi o vrijednosti struje koja prolazi kroz HIT.
- Snaga.
- Struja pražnjenja - ovisi o otporu vanjskog kruga.
- Kapacitet - maksimalna količina električne energije koju HIT daje kada se potpuno isprazni.
- Rezerva snage - maksimalna primljena energija kada je uređaj potpuno ispražnjen.
- Energetske karakteristike. Za baterije je to, prije svega, zajamčeni broj ciklusa punjenja-pražnjenja bez smanjenja kapaciteta ili napona punjenja (resursa).
- Radni raspon temperature.
- Rok trajanja je maksimalno dopušteno vrijeme između proizvodnje i prvog pražnjenja uređaja.
- Korisni vijek - maksimalno dopušteno ukupno razdoblje skladištenja i rada. Za gorive ćelije važan je kontinuirani i povremeni vijek trajanja.
- Ukupna energija raspršena tijekom životnog vijeka.
- Mehanička čvrstoća protiv vibracija, udara, itd.
- Mogućnost rada na bilo kojoj poziciji.
- Pouzdanost.
- Jednostavno održavanje.
HIT zahtjevi
Dizajn elektrokemijskih ćelija mora osigurati uvjete pogodne za najučinkovitiju reakciju. Ovi uvjeti uključuju:
- spriječiti curenje struje;
- ravnomjeran rad;
- mehanička čvrstoća (uključujući nepropusnost);
- razdvajanje reagensa;
- dobar kontakt između elektroda i elektrolita;
- disipacija struje od reakcijske zone do vanjskog terminala uz minimalne gubitke.
Kemijski izvori struje moraju ispunjavati sljedeće opće zahtjeve:
- najviše vrijednosti specifičnih parametara;
- maksimalni raspon radne temperature;
- najveća napetost;
- minimalni trošakjedinice energije;
- stabilnost napona;
- sigurnost punjenja;
- sigurnost;
- jednostavno održavanje i idealno je da nema potrebe za njim;
- dugi vijek trajanja.
HIT eksploatacije
Glavna prednost primarnih galvanskih ćelija je da ne zahtijevaju nikakvo održavanje. Prije nego što ih počnete koristiti, dovoljno je provjeriti izgled, rok trajanja. Prilikom povezivanja važno je promatrati polaritet i provjeriti integritet kontakata uređaja. Složeniji izvori kemijske struje - baterije, zahtijevaju ozbiljniju njegu. Svrha njihovog održavanja je maksimizirati njihov vijek trajanja. Briga o bateriji je:
- održavaj čistoću;
- nadzor napona otvorenog kruga;
- održavanje razine elektrolita (za dopunjavanje se može koristiti samo destilirana voda);
- kontrola koncentracije elektrolita (pomoću hidrometra - jednostavnog uređaja za mjerenje gustoće tekućina).
Prilikom rada s galvanskim ćelijama moraju se poštovati svi zahtjevi koji se odnose na sigurnu upotrebu električnih uređaja.
Klasifikacija HIT-a po elektrokemijskim sustavima
Vrste kemijskih izvora struje, ovisno o sustavu:
- olovo (kiselina);
- nikl-kadmij, nikl-željezo, nikal-cink;
- mangan-cink, bakar-cink, živa-cink, cink klorid;
- srebro-cink, srebro-kadmij;
- zrak-metal;
- nikl-vodik i srebro-vodik;
- mangan-magnezij;
- litij itd.
Moderna primjena HIT-a
Kemijski izvori struje trenutno se koriste u:
- vozila;
- prijenosni uređaji;
- vojna i svemirska tehnologija;
- znanstvena oprema;
- lijek (pejsmejkeri).
Uobičajeni primjeri HIT-a u svakodnevnom životu:
- baterije (suhe baterije);
- baterije za prijenosne kućanske aparate i elektroniku;
- neprekidna napajanja;
- akumulatori.
Litijevi kemijski izvori struje posebno se koriste. To je zato što litij (Li) ima najveću specifičnu energiju. Činjenica je da ima najnegativniji elektrodni potencijal od svih ostalih metala. Litij-ionske baterije (LIA) su po specifičnoj energiji i radnom naponu ispred svih ostalih CPS-a. Sada postupno svladavaju novo područje - cestovni promet. U budućnosti će se razvoj znanstvenika vezan za poboljšanje litij baterija kretati prema ultra tankim dizajnom i velikim baterijama za teške uvjete rada.
